低频功率放大器设计制作报告.doc

低频功率放大器郑冰环 赵晨 陈兵指导老师：周泽华 胡国华摘要：低频功率放大器主要应用于对音频信号的功率放大，本文介绍了具有弱信号放大能力的低频功率放大器的基本原理、内容和实现过程。整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路和保护电路共五部分构成。稳压电源主要是为前置放大器、功率放大器提供稳定的直流电源；前置放大器主要是电压的放大；功率放大器实现电流、电压的放大；波形变换电路是将正弦信号电压变换成规定要求的方波信号；设计的电路结构简洁、实用，充分利用到了集成功放的优良性能。关键字：低频 集成运放 功率放大 波形变换 一、题目理解与分析题目要求设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器，在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5700mV，等效负载电阻RL为8下，放大通道应满足：输出功率Por10W；带宽BW5010000Hz；在Por下和BW内的非线性失真系数3%；在Por下的效率55%；在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流声功率10mW。要求稳压电源自行设计并制作。发挥部分为测量放大器的时间响应，需要由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波。要求频率为1KHz，上升和下降时间1us、峰-峰值电压为200mV。当用上述方波激励放大通道时，在8负载下，额定输出功率Por10W，输出功率Por下输出波形上升和下降时间12us，顶部斜降2%，过冲量5%。提高放大通道性能指标和实用功能扩展。二、系统方案设计设计低频信号放大器系统如图2.1所示。主要由前置放大器、功率输出放大器、波形变换电路、直流稳压供电电路等组成。 输入缓冲器弱信号前置放大功率输出放大弱信号一级放大8负载弱信号输入波形转换电路自制稳压电源保护电路图2.1 低频功率放大器系统框图其中前置放大级完成弱信号的电压放大，功率输出放大级完成弱信号的电压和电流放大，保护电路保护功率放大部分防止输出功率过大，直流稳压电源部分为整个功放电路提供电量，波形转换电路完成正弦波到方波的转换，方波中含有丰富的高次谐波分量，通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、失真度、效率等指标。 三、模块方案设计3.1 前置放大模块设计方案一：采用集成运算放大器构成前置放大电路设计前置放大电路的可供选用的集成运算放大器由很多，如National Semiconductor公司的LF347/356/357，Precision Monolithics公司的OP16/37，Signetics公司的NE5532/5534等。具有带宽高，电压增益高，转换速率快，噪声低和电流消耗低等优点。方案二：采用专用前置放大器IC构成前置放大电路目前有很多性能优越的专用低频前置放大器IC，如日本夏普公司的IR3R18/16，NEC公司的pc1228H，富士通公司的MB3105/06。其频带BW均能达到30Hz20KHz，增益高，失真系数小。综合比较，方案二的设计效果优于方案一，但是专用前置放大器IC价格比较贵，而且采购不便，而集成运放价格便宜，性能高，能够满足题目放大要求，因此采用方案一。3.2 功率放大模块设计方案一：采用分立元件构成低频功率放大器电路分立元件构成的低频功率放大器电路可分为输入级、功率激励级和OCL输出级三部分。输入级采用双管差分放大器使电路工作稳定，功率激励级采用互补复合管推挽输出电路来提高线性放大及降低波形失真，而输出级采用直接耦合形式确保电路的低频响应。这种方案的优点在于反馈深度易控制，故放大倍数易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。但外围元器件较多，调试要困难很多。方案二：采用集成运放构成低频功率放大器电路采用集成运放LM1875构成低频功率放大器电路。LM1875是一款功率放大集成块，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。综合比较，方案一电路复杂，调试难度非常大，而方案二电路简单，易于调试。因此，采用方案二。3.3 波形转换模块设计方案一：利用运放的正反馈作用，使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡，利用稳压管将电压稳定在3V左右，然后利用电阻分压得到要求的正负对称的峰-峰值为200mV的方波信号。方案二：采用施密特触发器电路施密特触发器最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲。同时，施密特触发器还可利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力。施密特触发器可以用集成运放搭接而成，利用电阻分压得到要求的正负对称的峰-峰值为200mV的方波信号。综合比较两种方案，施密特触发器的转换精度更高，因此采用方案二。四、硬件电路设计设计要求低频功率放大器提供10W以上的输出功率，需要23级放大电路才能完成。在额定输出功率Por = 10 W时，在RL = 8上的正弦波输出电压幅值为Uom = 2PorRL = 2108 = 12.65 V在输入正弦波幅值为最小值5mV时，整个放大器需要的电压增益为Av = 20lgUom / Vin = 20lg12.65(510-3) = 68 dB 68dB的增益需要在23级放大器中进行分配，按照一般情况，功率输出级的增益为20dB左右，前置放大级需要承担48dB以上的增益。4.1 前置放大电路设计为了提高前置放大器电路的输入电阻和共模抑制性能，减少输出噪声，采用集成运算放大器构成前置放大电路必须采用同相放大电路结构，为尽可能保证不失真放大，电路采用两级运算放大器电路A1和A2。电路如图4.1.1所示。图4.1.1 前置放大电路由上分析，两级前置放大器的增益安排在50dB左右，每级25dB左右，以保证充分发挥每级的线性放大性能并满足带宽要求。电路采用两级NE5532(A和B)构成，各级均采用固定增益加输出衰减组成，当输入Vin,p-p =5mV时，输出Vo,p-p 2.53V。对于第一级放大器，要求在信号最强时，输出不失真，即在Vin,p-p =700mV时，输出Vom11V。所以A1 = Vom / Vin,p = 110.7 = 15.7取A1=15。当输入信号最小，即Vin,p-p = 10mV而输出不衰减时Vo1,p-p = A1Vin,p-p = 1510 = 150 mV第二级放大要求输出Vo2,p-p2.53V，输入信号最小为150mV，则第二级放大倍数为A2 = Vo2,p-p / Vo1,p-p = 2.530.15 = 17取A2=20。因此取R4=1K，R2=15K，R6=20K，R5=1K。4.2 功率放大电路设计低频功率放大电路采用集成功放LM1875构成。LM1875是一个输出功率最大可达到30W的音频功率放大器，Avo为90dB，失真率为0.015%，带宽为70KHz，具有AC和DC短路保护电路和热保护电路，电源电压范围为1660V,94dB的纹波抑制。功率放大电路如图4.2.1所示。图4.2.1 LM1875功率放大电路电路中，R3、R4组成反馈网络，C6为直流负反馈电容；R2为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声；C1为信号耦合电容，R5和C4组成输出退耦电路，防止功放产生高频自激，C2、C3、C5、C7是电源退耦电容，电源电压采用15V。4.3 波形转换电路设计波形转换电路采用施密特触发器电路，即迟滞电压比较器结构，电路如图4.3.1所示。图4.3.1 波形转换电路集成运放采用转换速率SR10V/us，增益带宽积GBW10MHz得LF357。为保证输出方波幅度稳定输出，使用两个稳压二极管D1、D2，稳定电压值Vz=3V，则迟滞比较器的门限电压Vt = R2Vz / (R1+R2) 330mV当输入电压Vin由零向正方向增加到接近Vp=330mV前，输出Vo一直保持Vo = 3V不变。当Vin增加到略大于Vp=330mV，则Vo由Vo = 3V下跳到Vo = -3V，同时使Vp下跳到Vp = -330mV，Vin再增加，Vo保持Vo = -3V不变；若减小Vin，只要Vin Vp = -330mV，则Vo将始终保持Vo = -3V不变，只有当Vin Vp = -330mV时，Vo才由-3V跳变到+3V，从而实现对称方波的输出。R4为稳压二极管的限流电阻，把流过D1、D2的电流限定在6mA左右。C1、C2为脉冲加速电容，可以进一步减少方波脉冲上升时间和下降时间。调节输出端电位器可将峰-峰值调为200 mV。由于输入信号非常弱，而弱信号直接输入施密特触发器中并不能转换输出，必须要先经过一级或多级放大，再进行转换。采用集成运放NE5532A构成反向比例放大电路见附件如图4.3.2所示。由于波形转换电路中迟滞比较器的门限电压为330mV，输入信号幅值最小为5mV，所以放大倍数应为A = 330/5=66，使用电位器使电压增益可调。4.4 缓冲电路设计为保证信号输入放大稳定，需在输入级加上一个缓冲电路，电路结构其实就是一个电压跟随器，集成运放采用NE5532B，输入加上耦合电容。电路见附件如图4.4.1所示。4.5 保护电路设计保护电路见附件如图4.5.1所示。开机时，电源接通，功率放大器加上电，但因继电器未吸合，功率放大器无输出。这样就可防止功率放大器在上电瞬间因电压建立不平衡而引起的开机冲击损坏负载和功放。若输出过载，电路可以有效保护功率放大器。4.6 稳压电源电路设计系统需要电源提供15V、12V、5V的电压，采用传统的电源制作电路，先由变压器降压，再经电桥整流，滤波，最后通过三端稳压器7815、7915、7805和7905输出稳定电压。功率放大模块采用独立电源供电，因为对功率有要求，所以选择大功率变压器，采用可调式三端集成稳压器LM317和LM337。电路见附件如图4.6.1所示。五、系统测试5.1 测试仪器表6.1.1 测试所需仪器仪表列表序号仪器名称仪器规格数量备注1数字示波器TDS2012 C0449551泰克科技（中国）有限公司2函数信号发生器13线性失真仪14万用表DT9205A+1山创/H.NEYTEK函数信号发生器用以提供5700mV的正弦信号外部输入，三通道泰勒示波器用以检测波形及其相关参数，万用表作为辅助工具。5.2 测试方法及数据记录与处理正弦信号输入电压幅度为5700mV，等效负载电阻RL=8。（1）输入正弦信号幅值为240mV时，输出功率输出正弦信号幅值为Vom = 26.2V，则输出功率Por = VomVom/RL /2 = 13.113.182 = 10.72 W（2）带宽BW通过函数信号发生器和泰勒示波器测试，带宽BW能50Hz10KHz。（3）Por10W和BW内，非线性失真系数r由放大电路的非线性特性引起的失真称为非线性失真，用非线性失真系数r来衡量。这里直接采用失真仪来测量非线性失真系数，测得输入信号的非线性失真系数为3.4%，输出信号的非线性失真系数为4.5%，所以实际的非线性失真系数为4.5%3.4% = 1.1%。（4）效率用万用表测得电源带负载输出电压为U = 18.06V，输出电流为I = 1.01A，所以电源输出功率Pv = UI = 18.061.01 = 18.24W效率为 = （Por/ Pv）100% =（10.7218.24）100% 56.3%（5）前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流声功率 前置放大级输入端交流短接到地时，负载上实测电压幅值Uom1=50mV，则交流声功率为P = Uom1Uom1 / 8 / 2 = 5010-3 5010-3 82 = 0.156 mW发挥部分测试：用频率为1KHz，上升时间为635us和下降时间为630us、峰-峰值电压为200mVp-p方波激励放大通道，负载RL=8。（1）额定输出功率Por输出正弦信号幅值为Vom = 10.5V，则输出功率Por = VomVom/RL /2 = 10.510.582 = 6.89 W（2）输出功率Por下输出波形上升和下降时间脉冲波形的上升时间tR和下降时间tF是以脉冲幅度的10%90%的时间为测量点的，即从0.1Vom上升到0.9Vom的时间为tR，从0.9Vom下降到0.1Vom的时间为tF。通过示波器测试观察得到，上升时间为1.34us和下降时间为1.26us。（3）顶部斜降脉冲波形的顶部斜降和波形的低频特性有关，可表示为= 2fLtpVom式中，tp为脉冲斜降宽度，用0.5Vom处的脉冲时间表示，fL为系统的低频下限频率。实测Vom = 10.5V，tp = 1.34us，fL = 50Hz，则顶部斜降为= 2501.3410-6 10.5100% = 0.4418%（4）过冲量过冲量可定义为脉冲过冲幅值Vos与脉冲幅值Vom之差和脉冲幅值的比的百分数，即过冲量= （Vs Vm）/ Vm 100%用示波器测得过冲幅值Vos=13V，则过冲量为= （1310.5）10.5100% 23.3%将所测量和计算得到的数据与指标要求对比如下表5.2.1所示。表5.2.1 测试指标对比表项目测试对象要求指标实测指标正弦波输入额定输出功率（PorW）1010.72带宽（BWHz）50100005010000非线性失真系数 31.1%Por下的效率 5556.3%输出交流声功率（PmW）100.156转